ปรากฏการณ์ฟ้าผ่าคืออะไร

การป้องกันฟ้าผ่าโดยตรงต้องเข้าใจปฏิกิริยาระหว่างการปลดปล่อยกระแสฟ้าผ่ากับโครงสร้างที่ต้องการป้องกัน ฟ้าผ่าสามารถปลดปล่อยกระแสไฟฟ้าได้จากระยะไกล เมื่อกระแสไฟฟ้าลงดิน ตอนที่เข้าใกล้พื้นผิว ความเข้มของสนามไฟฟ้าด้านหน้าจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก เมื่อเทียบกับพื้นดิน ทำให้ตัวนำกระแสไฟฟ้ามุ่งเน้นไปที่การลงสู่พื้นดินต่อ ในทางกลับกัน โครงสร้างสูงและการต่อสายดินที่ดีบนพื้นดินจะทำให้สนามไฟฟ้ากระจายตัวออกมา เกิดเป็นสภาวะที่เอื้อต่อการพัฒนาตัวนำกระแสไฟฟ้าขึ้น เมื่อตัวนำทั้งสองบรรจบกัน จึงเกิดฟ้าผ่า

อย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์ฟ้าผ่าไม่ได้เกิดกับทุกโครงสร้าง ฟ้าผ่ามีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นกับโครงสร้างที่สูงและต่อสายดิน นอกจากการป้องกันอุปกรณ์ในสถานีจากฟ้าผ่าโดยตรงแล้ว ควรให้ความสำคัญกับการป้องกันสายไฟที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียง รวมถึงสายไฟที่เชื่อมต่อจากเสาตัวสุดท้ายของสถานีกับเสาแรกของสายไฟ

หลักการป้องกันฟ้าผ่าโดยตรง ด้วยการชักนำกระแสฟ้าให้ผ่าไปจุดที่กำหนดไว้บนพื้นอย่างแม่นยำ จะหลีกเลี่ยงการเกิดฟ้าผ่าที่สร้างแรงดันไฟฟ้าสูงและความร้อนที่เกิดจากกระแสฟ้าผ่า ซึ่งเป็นอันตรายต่อโครงสร้างได้ อีกทั้งเพื่อป้องกันมนุษย์และอาคารต่างๆ จากฟ้าผ่า สามารถติดตั้งสายล่อฟ้าที่ปลายเสาสูง ซึ่งสายล่อฟ้าหรือแผงล่อฟ้านี้จะทำหน้าที่ดึงดูดกระแสฟ้าผ่า

เมื่อฟ้าผ่าที่เสาล่อฟ้า กระแสไฟฟ้าจะถูกบังคับให้ปล่อยกระแสเพื่อกระจายลงดินอย่างปลอดภัย หากไม่ทำเช่นนี้อาจเกิดการย้อนกลับของสายล่อฟ้า ระบบป้องกันฟ้าผ่าที่มีประสิทธิภาพต้องสามารถดึงดูดกระแสฟ้าผ่า และกระจายกระแสไฟฟ้าลงดินได้อย่างปลอดภัย เพื่อลดผลกระทบที่เกิดจากฟ้าผ่า

เสาล่อฟ้า หรือ เสาป้องกันฟ้าผ่า คือแท่งโลหะ หรือตัวนำโลหะที่ติดตั้งบนยอดอาคารสูง ทำงานด้วยการใช้สายตัวนำไฟฟ้าเชื่อมต่อกับดินผ่านอิเล็กโทรดเพื่อป้องกันอาคารไม่ให้เกิดฟ้าผ่า เมื่อฟ้าผ่า กระแสไฟฟ้าจะถูกนำลงดินผ่านสายตัวนำแทนการปล่อยกระแสผ่านอาคาร ซึ่งอาจทำให้เกิดเพลิงไหม้ หรือไฟฟ้าช็อต เสาล่อฟ้าจึงเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ในการลดความเสี่ยงที่เกิดจากฟ้าผ่า

สายป้องกันฟ้าผ่า คือ สายตัวนำป้องกันที่อยู่บนสายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะ เพื่อป้องกันสายไม่ให้ฟ้าผ่าโดยตรง สายป้องกันฟ้าผ่าต่อสายดินในแต่ละเสา (ต่อโดยตรง หรือผ่านช่องว่างการปล่อยฟ้า) และทำมาจากสายเหล็กชุบสังกะสีที่มีพื้นที่หน้าตัดตั้งแต่ 50 ถึง 70 มม.² ในส่วนของสายไฟแรงสูง 110 กิโลโวลต์ขึ้นไป เสาโลหะของสายป้องกันฟ้าผ่ามักติดตั้งตามแนวเส้นทางสายไฟ ส่วนสายไฟแรงต่ำกว่าจะมีสายป้องกันฟ้าผ่าเฉพาะใกล้กับสถานีหรือโรงไฟฟ้า

ข้อกำหนดทางเทคนิคของระบบป้องกันฟ้าผ่าโดยตรง 

อุปกรณ์ป้องกันทั้งหมดต้องอยู่ภายในช่วงความปลอดภัยของระบบป้องกัน โดยช่วงความปลอดภัยจะขึ้นอยู่กับลักษณะสถานที่และระดับแรงดันไฟฟ้า ระบบสายล่อฟ้าสามารถติดตั้งได้ในพื้นที่สูงที่มีอยู่ เช่น แขนขวางของเสา หรือเสาไฟฟ้า หรือ อาจติดตั้งแยกออกมาต่างหาก

เมื่อทำการติดตั้งระบบสายล่อฟ้าบนโครงสร้าง ความสูงของโครงสร้างที่มีอยู่สามารถนำมาใช้ได้ ซึ่งจะช่วยลดความสูงที่ต้องการในระบบของสายล่อฟ้า อย่างไรก็ตาม การติดตั้งระบบบนโครงสร้างที่มีไฟฟ้าต้องใช้ฉนวนที่มีคุณภาพสูง และส่วนประกอบของสายต่อลงดินต้องมีความต้านทานต่ำ

สถานีไฟฟ้าที่อยู่กลางแจ้งตั้งแต่ 110 กิโลโวลต์ขึ้นไป เนื่องจากมีระดับฉนวนที่สูง (มีระยะห่างระหว่างอุปกรณ์และลูกถ้วยฉนวนยาวเพียงพอ) สามารถติดตั้งสายล่อฟ้าไว้บนโครงสร้างของสถานีได้ แต่วิศวกรต้องต่อโครงสร้างที่ติดตั้งสายล่อฟ้าเข้ากับระบบสายดินของสถานี การต่อสายดินควรทำผ่านเส้นทางที่สั้นที่สุด เพื่อให้การกระจายกระแสลงดินทำได้ผ่านแท่งกราวด์ 3-4 แท่ง อีกทั้งแต่ละโครงสร้างควรต่อสายดินเสริมเพื่อปรับปรุงค่าความต้านทานไม่ให้เกิน 4 โอห์ม

จุดอ่อนของสถานีไฟฟ้ากลางแจ้งที่มีแรงดัน 110 กิโลโวลต์ขึ้นไปคือ ขดลวดหม้อแปลงไฟฟ้า ดังนั้น หากใช้ตัวป้องกันฟ้าผ่าเพื่อป้องกันหม้อแปลง ระยะห่างระหว่างจุดต่อสายดินสองจุด—จุดหนึ่งไประบบป้องกันฟ้าผ่า และอีกจุดไปตัวหม้อแปลง—ควรมากกว่า 15 เมตร

หากต้องแยกระบบป้องกันฟ้าผ่าออกจากโครงสร้าง ควรมีระยะห่างที่เหมาะสม หากระยะห่างน้อยเกินไป อาจเกิดการปล่อยประจุในอากาศและพื้นดินได้ ส่วนที่เป็นตัวนำของระบบป้องกันฟ้าผ่าต้องมีหน้าตัดที่ใหญ่เพียงพอ จึงจะเกิดเสถียรทางความร้อนเมื่อกระแสฟ้าผ่าผ่านลงมา